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Verfahren zum berührungslosen Übertrafen von Signalen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum berührtmgslosen Übertragen
von Signalen von einem ersten auf ein zweites Bauelement, die durch einen Spalt
voneinander getrennt sind, insbesondere von einem Rotor auf einen Stator einer Maschine.
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Bei einem bc:kairnten System zur Übertragung von Signalen vom Rotor
zum Stator einer rotierenden Maschine wird das Signal der Primärwicklung eines Transformators
zugeführt und durch Induktion af die Sekundärwicklung, die am Stator befestigt ist,
übertragen. Da in elektrischen Maschinen starke elektrische und magnetische Felder
auftreten, besteht die Gefahr, daß diese die Übertragung beeinflussen und somit
Übertragungsfehler auftreten können.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, das unempfindlich gegen elektrische und/oder magnetische
Störfelder ist und sich mit einfachen Mitteln, d.h. kostengünstig durchführen läßt.
Darüber hinaus soll das Verfahren universell anwendbar und anpaßbar sein.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht erfindungsgemäß darin, daß die Signale
nach Umformung in eine elektrische Wechselspannung mit einer der Signalstärke entsprechenden
Frequenz mindestens einem Lichtsender zugeführt, von diesem als Wechsellicht durch
den Spalt auf mindestens einen am zweiten Bauelement angeordneten lichtempfindlichen
Detektor übertragen, einem Decoder zugeführt und in Ausgangssignale, die den ursprünglichen
Signalen entsprechen, umgewandelt werden.
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Da die Signale in Wechsellicht umgeformt und durch den Spalt übertragen
werden, ist eine Beeinflussung des Übertragungsweges durch elektrische und/oder
magnetische Felder ausgeschlossen. Die Umformung der Signale in eine elektrische
Wechselspannung sowie die Gewinnung der Ausgangssignale aus der vom Detektor abgegebenen
Wechselspannung ist ohne großen elektronischen Aufwand und daher billig durchzuführen.
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I"ir die Auswahl des Frequenzbereiches, der für die Übc«--tragung
der Signale eingese-ts-t werden soll, ist zu beachten, daß die Frequenz so hocli
gewählt werden muß, daß auch Signale mit sich schnell ändernder Signalstärke übertragen
werden können.
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Führen beide Bauelemente eine Relativbewegung - zueiiiander aus, wie
dies beispielsweise zwischen dem Rotor und dem Stator einer elektrischen Maschine
der Fall ist, so muß folgendes bei der Auswahl des Frequenzbereiches zusätzlich
beachtet werden. Da die Elemente, welche das Wechsellicht ausstrahlen und aufnehmen,
im Verhaltnis zur Größe der Bauelemente oft nur punktförmig sind, sich daher nur
während einer kurzen Zeit der Relativbewegung gegenüber stehen und
somit
nur kurzzeitig eine Übertragung der Signale erfolgen kann, muß der Frequenzbereich
so gewählt werden, daß während dieser kurzen Übertragungszeit eine Impulsgruppe
vcn ausreichender Länge übertragen werden kann. Insbesondere kann hierbei die Übertragung
noch weiter dadurch verbessert werden, daß mehrere, z.B. vieram Umfang des Stators
verteilte, lichtempfindliche L)etekt oren vorgesehen und nacheinander vom Lichtsender
beaufschlagt werden, wobei die Sighnale nacheinander dem Decoder zugeführt werden.
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Als Lichtsender können sämtliche Elemente eingesetzt werden, die fiir
die Abstrahlung voll rnoduiiertem Licht geeignet sind, insbesondere jedoch wird
als Lichtsender eine Lumineszenzdiode verwendet.
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Sollen Signale zwischen relativ zu@inander bewegbaren Bauelementen,
insbesondere von einem Rotor auf einen Stator einer Maschine übertragen werden,
wobei die Übertragung im Zuge der Relativbewegung der Bauelemente jeweils nur kurzzeitig
erfolgt, so wird vorteilhaft die Frequenz des übertragenen Wechsellichts durch Zählung
der Impulse erfaßt, welche in jenen Impulsgruppen enthalten sind, die während der
jeweils kurzzeitigen Übertragung Übermittelt worden.
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Die Übertragungslemente, wie Lichtsender und lichtempfindlicher Detektor,
sind hierbei im Verhältnis zu den Ausmaßen der Bauelemente punktförmig ausgebildet
und diese stehen sich im Zuge der Relativbewegung nur kurzzeitig zur Übertragung
des Wechsellichts gegenüber. Hierbei wird das Wechsellicht vom Detektor als Impulsgruppe
aufgenommen und die Anzahl jener Impulse, die in einer Impulsgruppe enthalten sind,
bilden ein Naß für die Stärke des übertragenen Signals. Da hierbei die Pelativbewegung
der Bauelemente
gleichmäßig ist, bleibt die Zange der übertragenen
Impulsgruppen konstant, so daß, wie vorbeschrieben, die Anzahl der Impulse je Impuls
gruppe als Maß für die Stärke des übertragenen Signals benutzt werden kann.
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Ist die Relativbewegung zwischen den Bauelementen jedoch ungleichmäßig,
so wäre die Länge der übertragenen Impulsgruppen ehenfalls ungleichmäßig und somit
wäre auch die Anzahl der in einer Impuls gruppe enthaltenen Impulse abhängig von
der Ungleichmäßigkeit der Relativbewegung. Das heißt, durch die Ungleichmäßigkeit
der Relativbewegung würde das übertragene Signal verfälscht. in diesem Falle ist
es daher günstig, wenn Längenänderungen der übertragenen Impulsgruppen infolge Anderungen
der Relativbewegung durch Beeinflussung der Signale in Abhängigkeit von der Änderung
der Relativbewegung kompensiert werden. Es wird also die Gleichmäßigkeit der Relativbewegung
überwacht und bei Änderungen das übertragene Signal entsprechend korrigiert.
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Erfolgt hierbei die Übertragung des Signals von einem Rotor auf einen
Stator, so ist es vorteilhaft, wenn Drehzahländerungen des Rotors, d.h. Ungleichmäßigkeiten
der Relativbewegung, durch Überwachen der zeitlichen AuSeinanderfolge der Impuls
gruppen erfaßt werden und bei einer Abweichung der zeitlichen Aufeinanderfolge von
einem vorgegebenen Normalwert eine der Anderung entsprechende Korrektur der Anzahl
der ausgestrahlten Impulse durchgeführt wird. Es wird also die zeitliche Aufeinanderfolge
der vom Detektor aufgenommenen Impulgsgruppen überwacht und mitkinem vorgegegenen
Normalwert, welcher der normalen Drehzahl des Rotors zugeordnet ist, verglichen.
Wird hierbei die zeitliche Aufeinanderfolge der Impulsgruppen z.B. kürzer, so bedeutet
dies, daß sich die Drehzahl des Rotors erhöht hat luld sich
daher
die Übertragungszeit für das Signal verkürzt. Dies bedeutet, daß auch die Länge
der übertragenen Impuls gruppe geringer geworden ist und somit eine Zählung der
in der Impuls gruppe enthaltenen Impulse kein Maß mehr für die Stärke des zu übertragenen
Signals bildet. In solchen Fällen wird daher zum Beispiel das Ausgangssignal entsprechend
der Drehzahlabweichung korrigiert.
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In gleicher Weise wird auch vorgegangen, wenn sich die Drehzahl des
Rotors verringern sollte und sich der zeitliche Abstand der Impulsgruppen dadurch
verlängert.
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Um bezüglich der Anordnung des Lichtsenders und des Detektors größere
Freiheiten zu besitzen, empfiehlt es sich, daß das Wechsellicht vom Lichtsender
über einen ersten Lichtleiter zur Wechsellicht-Abstrahlstelle und vorteilhaft von
der Wechsellicht-Empfangsstelle über einen zweiten lichtleiter den Detektor zugeführt
wird.
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Eine andere, bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann darin bestehen,
daß die für die Ubertragung und gegebenenfalls die für die Gcwinnung der Signale
erforderliche elektrische Energie mittels eingestrahltem Licht in einer lichtempfindlichen
Zelle gewonnen wird. Auf dicse Weise wird eine von magnetischen und/oder elektrischen
Störfeldcrn unabhängige berührungslose Energieversorgung gewährleistet.
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Um auch hierbei weitgehende Freizügigkeit bezüglich der Erzeugung
und Übertraging des Lichtes zu besitzen, wird das für den Energietransport eingesetzte
Licht; von einer Lichtquelle durch einen dritten Lichtleiter der Abstrahlstelle
zugeführt und gegebenenfalls über einen vierten Lichtleiter von der Aufnahmestel]e
der lichtclnpfindlichen Zelle zugeführt.
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Wegcn seiner einfachen Durchführbarkeit liQt sich das Verfahren gemäß
der Erfindung vorteilhaft zur Übertragung von aus Temperaturmessungen gewonnenes
Signalen anwenden. Am einfachsten ist es hierbei, wenn das Temperatursigual von
einer Widerstandsmeßbrücke, an die ein Widerstandsthermometer zur Temperaturmessung
angeschlossen ist, abgenommen wird.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung
einer für die Durchführung des Verfahrens geeigneten, beispielsweisen Vorrichtung
im Zusammenhang mit der schematischen Zeichnung hervor.
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Diese zeigt einen Längsschnitt durch Bereiche des Rotors und des Stators
einer elektrischen Maschine, die durch einen Spalt voneinander getrennt sind.
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Das erste Bauelement 10, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel den
Rotor einer elektrischen Maschine darstellt, ist durch den Spalt 12 vom zweiten
Bauclement 14, das den Stator der Maschine darstellt, getrennt. Die Relativbewegung
der beiden Bauelemente erfolgt hierbei senkrecht zur Zeichenebene.
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Am ersten Bauelement 10 ist ein Umsetzer 16 angeordnet, der das über
die Leitung 18 zugeführte elektrische Signal, z.B.
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in Form einer Gleichspannung, in eine elektrische Wechselspannung
umformt. Die Frequenz dieser Wechselspannung entspricht hierbei der Signalstärke,
vorzugsweise ist die Frequenz der Signalstärke proportional. Der Aufbau solcher
Umsetzer 16 ist dem Elektroniker geläufig, so daß sich nähere Ausführungen erübrigen.
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Die vom Umsetzer 16 abgegebene Wechselspannung wird über die Leitung
20 dem Lichtsender 22 in Form einer Lumineszenzdiode zugefü1irt. hierbei ist die
Lichtabstrahlung der Lumineszenzdiode auf den am zweiten Bauelement 14 obenfalls
versenkt angeordneten, lichtempfindlichen Detektor 24 ausgerichtet. Als lichtempfind
licher Detektor kann z.i3. eine Photodiode oder ein Phototransistor eingesetzt werden.
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Der lichtempfindliche Detektor 24 ist über eine Leitung 26 mit dem
Decoder 28 verbunden, welcher über die Leitung 26 zugefübrte elektrische Wechselspannung
in ein Ausgangssignal umwandelt, welches dem in der Leitung 18 anstchenden Signal
enlspricht, vorzagsweise proportional ist. Das Ausgangssignal wird dann z.B. in
Form einer Gleichspannung über die Leitung 30 dem Dacoder 28 entnommen. Die für
den Betrieb des Decoders erforderlich@ elektrische Energie wird über die Leitung
32 zugeführt.
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An anderer Stelle des zweiten Bauelementes 14, vorzugsweise jedoch
in der Nachbarschaft des lichtempfindlichen Detektors 24 ist eine Lichtquelle 34,
z.B. in Form einer elektrischen Glühbirne, angeordnet und über einen Lichtleiter
36 mit der Abstrahlstelle 38 verbunden, welche an den Spalt 12 grenzt. Der Lichtleiter
36 besteht hierbei vorzugsweise aus einem Glasfaserbiindel. Gegenüber der Abstrahlstelle
38 ist am ersten Bauelement 10 die Empfangsstelle 40 angeordnet und über ebenfalls
einen Lichtleiter 42 mitfieiner lichtempfindlichen Zelle 44 verbunden, welche über
eine Leitung 46 an den elektrischen Gleichrichter 48 angeschlossen ist.
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Der Ausgang dieses Gleichrichters ist über die Leitung 50 an den Umsetzer
16 angeschlossen.
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außerdem ist an einer Stelle des ersten Bauelements 10, die bezüglich
ihrer Temperatur überwacht werden soll, ein Temperaturfühler 52, z.B. in Form eines
Widerstandsthermometers angeordnet, und fin eille Widerstandsmeßbrücke 54 angeschlossen.
Der Signalausgang dieser Widerstandsmeßbrücke 54 ist an die zum Umsetzer 16 führende
Leitung 18 angeschlossen, wogegen die Energieversorgung über die zum Gleichrichter
48 führende Leitung 56 erfolgt.
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Während des Betriebs wird das von der Lichtquelle 34 abgegebene Licht
über den Lichtleiter 36 zur Abstrahlstelle 38 geleitet, durch den Spalt 12 auf die
Empfangsstelle 40 des Lichtleiters 42 geworfen und der lichtempfindlichen Zelle
44 zugeführt. Da die Lichtquelle 34 der Einfachheit halber mit Wechse)strom gespeist
und somit das von ihr abgegebere Licht wechselnde Stärke aufweist, gibt die lichtempfindliche
Zelle einen gemäß der Relativgeschwindigkeit gepulsten Wechselstrom ab, der im Gleichrichter
48 gleichgerichtet, gesiebt und geglättet wird. Die so erzeugte Gleichspannung wird
nun über die Leitung 50 und 56 dem Umsetzer 16 sowic der Widerstandsmeßbrücke 54
als Betriebsspannung zugeführt.
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Von der Widerstandsmeßbriicke 54 wird ein SJ gnal abgegeben, das der
am Temperaturfühler 52 anstehenden Temperatur proportional ist und über die leitung
18 dem 1Jmsetzor 16 zugeführt. Dieser formt das Signal in eine elektrische Wchselspannung
um, deren Frequenz der Signalstärke, welche von der Widerstandsmeßbrücke 54 abgegeben
wird, entspricht, vorzugsweise jedoch proportional ist. Diese Wechselspannung wird
iiber die Leitung 20 dem Lichtsender 22 zugeführt,hier in Wechsellicht umgeformt
und durch den Spalt 12 auf den lichtempfindlichen Detektor 24 abgestrahlt. Dieser
Detektor 24
formt das Wechsellicht wieder in einen Wechselstrom
um, der über die Leitung 26 dem Decoder 28 zugeleitet wird.
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Der Decoder wandelt nun die Wechselspannung in Ausgangssignale um,
z.B. in Form einer Gleichspannung, welche den dem Umsetzer 16 zugeführten Signal
entsprechen, vorzugsweise jedoch pronortional sind. Diese Ausgangssignale werden
dann über die leitung 30 entnommen und z.B. für Rege1- oder Überwachungszwecke benutzt.
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Ist hierbei die Umlaufgeschwindigkeit des ersten Bauelements 10 gleichmäßig,
so ist der Abstand zwischen den einzelnen übertragenen Impulsgruppen ebenfalls gleichmaßig
und die Länge der Impulsgruppen konstant.
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Da die Frequenz der übertragenen Impulsgruppe vorzugsweise durch Zählung
jener Impulse erfolgt, die in einer übertragenen Impulsgruppe vorhanden sind, ist
es zur Vermeidung von Fehlübertragungen erforderlich, daß die Relativbewegung zwischen
den Bauelementen gleichmaßig tleibt, d.h. die Drehzahl des Rotors muß konstant bleiben.
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Ist dies nicht gewihrleistet, so muß der Übertragungsfchler.
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welcher durch die Ungleichmäßigkeit der Relativbewegung auftritt,
kompensiert wer-den. Hierzu dienen die Maßnahmen gemäß den Ansprüchen 3 und 4. Dies
bedeutet,im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Übertragung von Signalen zwischen
einem Stator und einen Rotor einer vorzugsweise elektrischen Maschine, daß die Relativbewegung
zwischen diesen Baueleersten überwacht und bei Abweichungen das übertragene Signal
entsprechend korrigiert werden muß.
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hierzu wird im Decoder 28 der zeitliche Abstand zwischen den aufeinander
folgenden Impuls gruppen erfaßt und mit einem durch die Normalgeschwindigkeit der
Relativbewegung vorgegebenen Normaiwert verglichen. Weicht nun der Abstand aufeinander
folgender Impulsgruppen von diesem Normalwert ab, so bedeutet dies, daß sich die
Relativgeschwindigkeit zwischen den Bauelementen gemindert hat. Da sich hierbei
auch jene Zeit geändert hat, während der sich der Lichtsender 22 und der lichtempfindliche
Detektor 24 zur Übertragung von Signalen gegenüberstehen, bedeutet dies auch, daß
die Länge der Impulsgruppen sich geändert hat. Da die Frequenz des übertragenen
Wechsellichts jedoch vorzugsweise durch Zählung der in den einzelnen Impulsgruppen
enthaltene Impulse bestimmt werden soll, bedeutet dies, daß eine Änderung in der
Gleichmäßigkeit der Relativbewegung eine Größenänderung des übertragenen Signals
vortäuscht und somit die Übertragung verfälscht.
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J)aher wird vom Decoder 28 bei einer Abweichung des Impulsgruppenabstandes
von dem vorgegebenen Normalwert das über die Leitung 30 abgegebene Ausgangssignal
derart verändert, daß Übertragungsf@hler, welche durch die Ungleichmäßigkeit der
Relativbewegung dor Bauelemente auftreten, kompensiert werden. Hierbei wird von
der grundsätzlichen Überlegung Gebrauch gemacht, daß sich z.B. bei einer Verdoppelung
der Relativgeschwindigkeit gegenüber dem ursprünglichen Wert sich die Übertragungszeit
auf die hälfte des ursprünglichen Wertes verringert und somit sich die Anzahl der
Impulse, welche in einer Impulsgruppe vorhanden sind, ebenfalls auf die Hälfte verringert.
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Anstelle eine Korrektur der Signale im Decoder d durchzuführen, ist
es ebensogut möglich, bereits die ausgestrahlten Signale zu korrigieren, d.h. die
Anzahl der Impulse je Impilsgi'uppe bei Änderungen der fle lat ivgeschwindigke im
iii: Umsetzer 16 zu korrigieren.
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In gezeigten Ausführungsbeispiel grenzen Lichtsender 22 und lichtempfindlicher
Detektor 24 unmittelbar an die Oberfläche der Bauelemente 10 bzw. 14. Um größere
Freiheiten bezüglich der Anordnung von Lichtsender 22 und lichtempfindlichen Detektor
24 zu besitzen, können diese auch an anderen Stellen angeordnet und gemäß der Lehre
des Auspruches 5 ausgerüstet sein. Dieser Fall ist in der Zeichnung nicht dargestellt,
er is-t jedoch im Aufbau und Anordniing der Bauteile praktisch gleich der Anordnung
von Lichtquelle 34, Lichtleitern 36 und 42 sowie lichtempfindlicher Zelle 44.